大开孔对压力容器筒体上应力分布的影响探究

沈石华

（宁夏化工设计研究院〈有限公司〉，宁夏银川750002）

0 引言

压力管道上开孔和接管是压力管道中最典型的结构，这种结构结构从力学模型上是一种圆柱壳开孔接管结构，这种结构广泛存在于现代石油化工、能源和核工业生产中，随着现代工业生产规模与生产装置的日益大型化，圆柱壳开孔也逐渐向大开孔方向发展。

1 应力分类

1.1 应力分类原则

1）产生应力的原因

应力是由各种机械载荷，如介质压力、容器、附件及材料的自重、风载荷、雪载荷或地震载荷等引起的，还是由温差载荷，如同一元件不同部位的温度差，厚壁容器壁厚各点的温度差等引起的。

2）导出应力的方法

压力容器设计的力学基础主要是板壳理论与壳体理论。而壳体理论又分为不考虑边缘效应的无力矩理论和考虑边缘效应的有力矩理论，后者主要用于边缘应力的求解。 两个相互连接的零件当存在几何结构不连续时，在介质压力作用下会引起两类不同性质的应力，一类是，由介质压力和零件应力之间相平衡的关系导出的应力，如圆筒或锥壳上的环向应力与轴向应力：另一类，是由两连接件的边缘连接处在介质压力作用下总变形的协调关系导出的边缘应力。

3）应力存在的区域

应力存在于容器的总体区域，还是局部区域。

4）应力的性质

沿容器壁厚方向是均匀的或是非均匀分布的拉、压应力，还是沿壁厚方一向成线性或非线性分布的，两表面应力最大、方向相反、中间面或靠近中间面处为中性面的弯曲应力。 显然，沿容器壁厚方向均匀分布的薄膜应力一旦达到材料的屈服强度，则意味着全壁厚范围的材料均已屈服，从而不能再继续承受载荷；沿容器壁厚按线性或非线性规律分布的弯曲应力即使达到材料的屈服强度，也仅能在器壁表面达到屈服、继续增加载荷仅使材料屈服层由表面向内层扩展，直至整个壁厚均达屈服才会导致容器失效。 所以，薄膜应力对容器失效所构成的危险比弯曲应力更大。

1.2 应力分类

1）一次应力

一次应力是指由于外加机械载荷的作用而在容器中产生的正应力或剪应力，它必须满足外域和内力的静力平衡关系。所以，一次应力不具有自限性。 具体包括下面三类:

A、一次总体薄膜应力（Pm）——指遍及整个结构，满足压力或其它机械载荷所产生的薄膜应力。

B、一次局部薄膜应力（PL）——指应力水平大于一次总体薄膜应力，但仅存在于结构局部区域的一次薄膜应力。

C、一次弯曲应力（Pb）——指存在于结构的总体范围，满足压力或其它机械载荷平衡，沿截面厚度线性分布的弯曲应力。

2）二次应力（Q）

在外部载荷作用下， 由于相邻部件的约束或结构自身的约束，需要满足变形连续条件所产生的法向应力或切应力统称为二次应力。其基本特征为具有自限性，即局部屈服和小量塑性变形就可使变形连续条件得到部分或全部满足，从而塑性变形不再发展，由此缓解以至消除这种应力所造成的后果。

3）峰值应力（F）

由局部结构不连续或局部热应力影响引起的，附加于一次加立次应力之上的应力增量称为峰值应力。

1.3 壳体开孔接管附近的应力分类

根据上文所述的应力分类原则，对壳体开孔接管附近的应力进行分类。圆柱壳体开孔后，接管与壳体连接部位引起的应力有：沿壁厚方向的平均应力即一次局部薄膜应力(无温差作用时)或一次局部薄膜加二次温差应力(有温差作用时)；由相贯壳体变形协调产生的弯曲应力为二次弯曲应力以及由应力集中现象引起的峰值应力等。

2 大开孔对筒体应力的影响

当压力容器筒体上开孔且有接管时，其应力状态远比板材上开孔但无接管时更为复杂，它不仅包括薄膜应力，而且包括由于接管和筒体相连接时所引起的边缘应力以及由于开孔接管过渡区引起的局部应力集中，应力梯度较大，极易成为设备的破坏源，因此对开孔接管部位作详细的应力分析和强度评定是确保压力容器安全运行的重要环节之一。 容器开孔接管引起孔边应力集中，其原因在于：一方面，容器筒身因开孔削弱了承载面积造成容器高薄膜应力；另一方面，容器整体的连续性被破坏，在开孔和接管处因变形不协调，连接处将产生较大的附加内力分量，影响最大的是附加弯曲应力，因此，开孔和接管附近形成局部的高应力区。 再者，接管上有时还承受其他载荷以及容器开孔本身的制造缺陷和残余应力的影响，开孔附近就往往成为容器的薄弱部位。 这种应力集中现象在小开孔情况下具有局部性，可通过在一定范围内的补强使应力集中大为缓解。根据压力容器的设计理论可知，一对于压力容器上的小开孔接管结构，只在孔边引起应力集中，而在离孔边较远处，圆筒的应力状态仍处于薄膜应力状态，其应力分析与强度计算已有大量文献做过论述。

关于受内压圆柱壳大开孔应力分布的情况，目前尚无合适的资料可供参考，研究大开孔情况下内压圆筒的应力分布规律与特征，特别是与小开孔情况相比有哪些主要区别， 以期为结构设计提供理论依据，具有十分重要的理论与实际意义。目前，可采用有限元方法模拟薄壁圆筒受内压大开孔的情况，可得到不同d/D，D/T 组合下筒体的应力分布规律由分析结果可知，在d/D 较小时，开孔对筒体应力的显著影响只限于孔边附近， 而离孔边较远处仍然可以认为是薄膜应力状态。这恰好与压力容器设计理论中小开孔对筒体应力的影响具有局部性的论点是一致的。但随着d/D 和D/T 的增加，不仅仅在孔边，而且在离孔边较远处的一定范围内，均不是单纯的薄膜应力状态，同时，内外表面的应力差也越来越大，这就是大开孔情况下的应力分布特点。 这表明大开孔情况下，特别是在D/T 较大时，开孔对应力的影响己不仅仅局限于孔边，而小开孔对筒体应力影响的局部性在大开孔情况下己不适用。

这一点对压力容器的设计具有重要的实际价值。 由分析可知，大开孔情况下，即使是在离孔边较远处也不能用薄膜应力描述其应力状态。 这是因为当d/D 较大，比如说超过0.5 时，离孔边较远处的筒体受力后其几何形状的轴对称性会遭到破坏，而对这种破坏的抵抗能力又会随着D/T 的上升而下降。 因此，开孔以前，薄壁圆筒对薄膜理论的适应性随D/T 的上升而提高，即筒体越薄，越能形成薄膜应力状态；开孔以后，这种适应性反而随D/T 的上升而下降，即筒体越薄，开孔后对薄膜应力状态的破坏越严重。 开孔前后，筒体对薄膜应力状态的适应性随D/T 的上升向相反的方向变化。

3 结束语

总之，由于在圆柱壳上开孔并安装了圆柱壳接管，主体圆柱壳的结构连续性就遭到了破坏，在圆柱壳与接管的相贯区将产生明显的应力集中，而大开孔接管结构的相贯区局部存在着比主体区高数倍的集中峰值应力，因而它是疲劳断裂、应力腐蚀破坏的根源，是压力管道中比较薄弱的部分，无论国内还是国外的著名压力容器规范，都特别强调对此进行详细的应力分析。 因此，对压力管道大开孔接管区的应力进行分析是十分必要的。

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［2］高炳军，王洪海，子俊宝.球壳大开孔接管结构参数对连接处应力分布的影响[J].机械与电子，2003，1:65-67.

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